醫(yī)院排放污水臭氧催化氧化處理工藝研究

劉 勇，徐宏林

(1.北京醫(yī)院(后勤管理處)，北京 100730； 2.北京聯(lián)合大學(xué)建材輕工學(xué)院，北京 100730；3.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院，北京 100035)

醫(yī)院污水主要來(lái)源于化驗(yàn)室和手術(shù)室等醫(yī)療排水，污水中包含大量的病菌和病原微生物，若不經(jīng)處理就排放，不僅會(huì)污染環(huán)境，還容易造成其中所帶有傳染性細(xì)菌的二次污染，成為新的疾病傳播鏈[1-2]。目前我國(guó)的污水處理工藝，一般都是經(jīng)過(guò)一級(jí)處理或生物氧化后，加入氯氣或含氯化合物進(jìn)行消毒后排放，對(duì)污水的殺菌程度不徹底，會(huì)對(duì)水環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害[3-4]。根據(jù)《醫(yī)療機(jī)構(gòu)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn) KGB 18466-2005)，世界衛(wèi)生組織要求醫(yī)療機(jī)構(gòu)污水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要在嚴(yán)格的監(jiān)管條件下進(jìn)行排放，對(duì)于其中的微生物殘留檢測(cè)也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束，糞大腸菌群數(shù)小于100 MPN·L-1，腸道致病菌、腸道病毒均不得檢出，才能允許排放[5]。

目前我國(guó)使用的污水處理辦法一般為膜生物反應(yīng)器工藝，主要使用超濾膜法從污泥回收容器中，加入催化劑分離活性污泥[6]。經(jīng)過(guò)這種反應(yīng)器處理后所排出的醫(yī)院污水雖然能夠除去其中的有機(jī)物和污染無(wú)機(jī)物，但對(duì)其中夾雜的特有致病菌去除效果較差，無(wú)法達(dá)到微生物的徹底滅活，對(duì)環(huán)境和人類生存都有很大的威脅。因此本文在膜生物反應(yīng)器工藝進(jìn)行污水處理的基礎(chǔ)上，采用臭氧催化氧化工藝進(jìn)行深度凈化。首先設(shè)計(jì)污水處理整體工藝流程、確定污水處理設(shè)備，在臭氧催化氧化污水處理工藝中，以活性炭為催化劑，通過(guò)活性炭材料中具有的可吸附官能團(tuán)提高臭氧氧化活性。并控制臭氧的添加量，分析不同活性炭添加量對(duì)廢水中污染物的分解效果，以此確定臭氧催化氧化的催化劑添加量等參數(shù)，提升污水處理性能。

1 醫(yī)院污水處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 污水處理設(shè)備選擇

污水處理選擇臭氧代替原有的S-PAC、CeO催化消毒步驟。臭氧在污水凈化過(guò)程中主要有兩種反應(yīng)方式，一種是直接與有機(jī)物反應(yīng)發(fā)生氧化完成凈化，另一種是臭氧分解后產(chǎn)生氫氧根與有機(jī)物反應(yīng)發(fā)生氧化完成凈化。在實(shí)際的臭氧凈化污水應(yīng)用中，需要添加一定的催化劑能夠加快反應(yīng)速率。經(jīng)過(guò)對(duì)臭氧催化氧化的醫(yī)院污水處理部門進(jìn)行調(diào)研，并結(jié)合傳統(tǒng)的污水處理結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)污水處理法凈化后的污水還存在一定的活性病原微生物，因此需要增加臭氧對(duì)其進(jìn)行催化氧化來(lái)降解、消除其中的微生物。設(shè)計(jì)的臭氧催化氧化裝置如圖1所示：

圖1 臭氧催化氧化裝置設(shè)計(jì)Figure 1 Design of ozone catalytic oxidation device

在圖1裝置中，臭氧發(fā)生器的濃度和進(jìn)氣量可通過(guò)人工手調(diào)。根據(jù)臭氧發(fā)生器的規(guī)格，確定在冷卻過(guò)程中冷卻水的流量為0.1 m3·h-1。在醫(yī)院污水的初級(jí)過(guò)濾中選擇膜反應(yīng)器[7-8]以去除其中的懸浮物。

首先確定裝置中膜過(guò)濾器的面積以及尺寸，過(guò)濾器中的主要過(guò)濾設(shè)備是生物膜，污水透過(guò)生物膜的流速恒定為11 m·h-1，過(guò)濾器長(zhǎng)期24 h連續(xù)運(yùn)行，在沖刷時(shí)，所占用的沖洗時(shí)長(zhǎng)為6 min。過(guò)濾面積S計(jì)算公式為：

(1)

式中，v為過(guò)濾速度，T為膜過(guò)濾器的工作時(shí)間，Q表示需要處理的污水的總體積。如果采用的膜過(guò)濾器形狀為圓形，那么可以求出圓形的直徑，計(jì)算公式為：

(2)

在確定過(guò)濾膜的大小后，需要對(duì)過(guò)濾器反沖洗水頭的損失進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于管式的大阻力配水系統(tǒng)的水頭損失計(jì)算公式為：

(3)

式中，q為沖洗強(qiáng)度，α表示生物膜的過(guò)濾孔眼面積與整個(gè)膜過(guò)濾器的面積的比值，μ表示污水的流量系數(shù)。在以上計(jì)算下，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取的醫(yī)院污水首先經(jīng)過(guò)一級(jí)處理，即經(jīng)過(guò)膜生物反應(yīng)器處理后排出的污水，然后經(jīng)過(guò)臭氧催化氧化工藝進(jìn)行深度凈化。根據(jù)以上設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)建立的臭氧催化氧化裝置如圖2所示。

圖2 臭氧催化氧化裝置圖Figure 2 Device of ozone catalytic oxidation device

圖2中，臭氧發(fā)生器的型號(hào)為CF-G-g，其中臭氧氣源來(lái)自氧氣鋼瓶，采用工業(yè)氧氣，在氣體反應(yīng)箱中嵌入濕式氣體流量計(jì)。為了保證臭氧發(fā)生器在實(shí)驗(yàn)中安全穩(wěn)定地反應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)裝置中利用流動(dòng)水進(jìn)行冷凝保證溫度處于較低狀態(tài)，并調(diào)節(jié)氧氣鋼瓶的壓力在0.04 MPa 。測(cè)試前，裝置先空車運(yùn)行15 min，保證裝置中臭氧濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且變化范圍較小。在外圍設(shè)計(jì)一個(gè)濃度檢測(cè)裝置，檢測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3 臭氧濃度測(cè)定Figure 3 Determination of ozone concentration

膜生物反應(yīng)器所排出的污水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 膜生物反應(yīng)器排出的水質(zhì)指標(biāo)

使用設(shè)計(jì)的基于臭氧催化氧化工藝的醫(yī)院污水處理方法對(duì)經(jīng)過(guò)一級(jí)處理后的污水進(jìn)行持續(xù)凈化，并與S-PAC、CeO兩種催化劑作為對(duì)照，分析三種催化方法的動(dòng)力學(xué)效果。

1.3 臭氧催化氧化處理流程設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)污水整體處理流程時(shí)，需要結(jié)合醫(yī)院污水的水質(zhì)檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際污水處理站的規(guī)模。根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)可知，醫(yī)院的污水檢測(cè)數(shù)據(jù)中的主要污染物質(zhì)為病原微生物、氨氮化合物以及草酸化合物等，最終經(jīng)過(guò)處理后需要符合相關(guān)醫(yī)療機(jī)構(gòu)污水的排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)污水的特性，選擇不同級(jí)別的工藝，制定一套符合實(shí)際情況的整體臭氧催化氧化污水處理工藝流程，保證臭氧催化氧化的效果能夠達(dá)到預(yù)期情況[9-10]。設(shè)計(jì)的流程如圖4所示。

圖4 臭氧催化氧化污水處理整體工藝流程Figure 4 Overall process flow of ozone catalytic oxidation wastewater treatment

圖4所示的工藝流程中，醫(yī)院產(chǎn)生的污水排放出后第一步要流向化糞池中進(jìn)行沉淀處理，主要是因?yàn)檫@些污水中有可能包含一些醫(yī)療廢物，如棉花、紗布等，經(jīng)過(guò)沉淀處理后可以除去體積較大的肉眼可見(jiàn)的醫(yī)療污水污染物，避免這些異物堵塞凈化設(shè)備，保證整體流程正常運(yùn)行[11-12]。從化糞池流入格柵前，需要經(jīng)歷強(qiáng)力切割機(jī)進(jìn)行切割后才能流入細(xì)格柵間，再次將其中混雜的漂浮物進(jìn)行攔截。從格柵間流出后，依靠污水自身的重力能夠流入下一環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)池，主要對(duì)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用微曝氣處理工藝，避免污水由于沉淀導(dǎo)致的變質(zhì)，同時(shí)達(dá)到讓水質(zhì)更加均勻的效果。

在污水處理的整體流程中，設(shè)置一個(gè)厭氧池，在工作過(guò)程中，厭氧池處于低氧環(huán)境，其目的是降低一部分好氧有機(jī)物濃度，隨后進(jìn)入缺氧池進(jìn)行有機(jī)顆粒的體積分解，以增加污水的生化性。進(jìn)入好氧池后，污水中包含的活性污泥可以在含氧量豐富的情況下進(jìn)行有氧呼吸，有助于有機(jī)物的分解，并通過(guò)投加藥品實(shí)現(xiàn)除磷[13-14]。在沉淀池中能夠分離污泥和上清液，污泥下沉并經(jīng)過(guò)板框壓濾機(jī)壓成泥餅后外運(yùn)，上清液則再次運(yùn)輸?shù)秸{(diào)節(jié)池中進(jìn)行新一輪凈化后進(jìn)入中間水池，在集水堰板的作用下，上層清液進(jìn)入膜反應(yīng)器中，整個(gè)凈化流程水源供水穩(wěn)定，污水經(jīng)過(guò)過(guò)濾泵、臭氧催化氧化后排入清水池。至此完成了基于臭氧催化氧化工藝的醫(yī)院污水處理流程的設(shè)計(jì)。

1.4 臭氧催化氧化工藝參數(shù)優(yōu)化

臭氧在醫(yī)院污水的處理過(guò)程中，需要添加催化劑來(lái)促進(jìn)污水處理的進(jìn)程。在進(jìn)行臭氧催化氧化的過(guò)程中，選擇具有良好吸附能力的活性炭，其具有大量的可吸附官能團(tuán)，在提高臭氧氧化活性的同時(shí)不會(huì)改變氧化結(jié)果[15]。建立的活性炭和臭氧系統(tǒng)氧化污水處理體系，在確定氧氣濃度和流量后，計(jì)算臭氧添加濃度，以保證協(xié)同體系具有一定的效應(yīng)。

設(shè)定水樣pH=7.0，氧氣流量(15～25) mg·L-1，反應(yīng)溫度25℃，臭氧添加量為(20～30)mg·L-1，考察不同活性炭添加量對(duì)廢水中污染物降解率的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，隨活性炭添加量增多，污染物降解率也隨之提高，但當(dāng)活性炭的添加量分別為16 g·L-1和20 g·L-1時(shí)，污染物降解量相差較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中，為了控制污水處理的成本，可以選擇活性炭的添加量為16 g·L-1，在保證凈化效果的同時(shí)，能夠保證污水處理成本最低。

圖5 活性炭添加量對(duì)廢水中污染物降解率的影響Figure 5 Effects of activated carbon addition amounts on degradation of pollutants in wastewater

2 結(jié)果與討論

按照上述實(shí)驗(yàn)裝置，得到臭氧、S-PAC、CeO三種催化劑凈化污水的偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)的變化曲線，對(duì)于偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合，擬合計(jì)算公式如下式所示：

(4)

式中，c為污水中需要降解的污染物的總濃度，k’為偽一級(jí)反應(yīng)速率。根據(jù)上式求得的參數(shù)，可以得到偽一級(jí)擬合曲線如圖6所示。

圖6 CeO、S-PAC和臭氧催化氧化降解污染物的偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果Figure 6 Pseudo-first-order kinetic fitting results of CeO,S-PAC and ozone catalytic oxidation of pollutants

從圖6可以看出，利用臭氧進(jìn)行催化氧化降解污染物的效果最好。根據(jù)上圖計(jì)算反應(yīng)平衡量qe：

(5)

式中，k為擬合直線解析式中的斜率。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到，臭氧催化降解的最后反應(yīng)平衡量在8.33 mg·L-1，幾乎能夠完全消除污水中的污染物，CeO催化降解的最佳反應(yīng)平衡量為18.33 mg·L-1，S-PAC則對(duì)污水凈化幾乎沒(méi)有催化效果。

為進(jìn)一步驗(yàn)證效果，在以上實(shí)驗(yàn)技術(shù)上進(jìn)行偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合，對(duì)于偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合來(lái)說(shuō)，相關(guān)的擬合計(jì)算公式如下式所示：

(6)

式中，k”表示偽二級(jí)反應(yīng)速率。根據(jù)上式求得的參數(shù)，可以得到偽二級(jí)擬合曲線如圖7所示。

圖7 CeO、S-PAC和臭氧催化氧化降解污染物的偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果Figure 7 Pseudo-second-order kinetic fitting results of CeO,S-PAC and ozone catalytic oxidation degradation of pollutants

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得臭氧催化氧化下的動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.83，S-PAC催化氧化下的動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.38，CeO催化氧化下的動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.029。偽二級(jí)反應(yīng)中動(dòng)力學(xué)常數(shù)越大，說(shuō)明催化降解的效果越好。由此可見(jiàn)，活性炭吸附臭氧催化氧化能夠加快污水中污染物的降解速率，提升降解效果。

醫(yī)院排放污水采用臭氧催化氧化處理工藝前后致病菌含量變化如表2所示。

表2 醫(yī)院排放污水采用臭氧催化氧化處理工藝前后致病菌含量變化

分析表2可知，采用本工藝處理前，醫(yī)院排放污水中致病菌的含量均超標(biāo)，而采用本工藝處理后，醫(yī)院排放污水中致病菌含量在指標(biāo)范圍內(nèi)，由此可見(jiàn)，基于臭氧催化氧化工藝對(duì)醫(yī)院排放污水中致病菌的處理效果更好，在醫(yī)院污水處理方法具有更好的降解效果。

3 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)污水處理技術(shù)處理醫(yī)院污水所存在的弊端，在原有工藝基礎(chǔ)上增加了臭氧催化氧化工藝，優(yōu)化臭氧催化氧化工藝中活性炭添加量為16 g·L-1，使臭氧催化氧化發(fā)揮最優(yōu)性能，提升醫(yī)院排放廢水中污染物的分解效果，保證醫(yī)院污水水質(zhì)成分能夠徹底滅活。

通過(guò)對(duì)不同催化氧化劑的動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的臭氧催化氧化工藝在醫(yī)院污水處理中，偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果顯示臭氧催化降解的最后反應(yīng)平衡量在8.33 mg·L-1、偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果顯示活性炭吸附臭氧催化氧化下的動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.83，均優(yōu)于S-PAC、CeO催化氧化工藝，采用本文方案處理后，醫(yī)院排放污水中致病菌的含量均控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。由于研究過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)有限，提出的方法還有很多待改進(jìn)之處。在今后的研究中，可以考慮將臭氧催化氧化技術(shù)與生化處理技術(shù)相結(jié)合，更大程度地降低污水處理成本。